史上最經典電動自行車控制器設計方案

　　方波驅動的無刷直流電機由於力矩大，運行可靠，在電動車控制器中廣泛應用，方波驅動最大的缺點在於換相時的電流突變引起的轉矩脈動，導致噪聲較大，但好的控制策略可以大大改善換相噪聲。電動車控制器設計的難點在於電流控制，本文就電動車控制器設計的一些關鍵地方加以描述。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/280601.htm

　　1.概述

　　電動自行車上使用的電機普遍採用永磁直流電機。所謂永磁電機，是指電機線圈採用永磁體激磁，不採用線圈激磁的方式。這樣就省去了激磁線圈工作時消耗的電能，提高了電機機電轉換效率，這對使用車載有限能源的電動車來講，可以降低行駛電流，延長續行裡程。

　　永磁直流電機按照電機的通電形式來分，可分為有刷電機和無刷電機兩大類，有刷電機由於採用機械換相裝置導致可靠性和壽命降低，因此逐漸退出電動車市場。

　　無刷電機又可分為有傳感器和無傳感器兩類，對於無位置傳感器的無刷電機，必須要先將車用腳蹬起來，等電機具有一定的旋轉速度以後，控制器才能識別到無刷電機的相位，然後控制器才能對電機供電。由於無位置傳感器無刷電機不能實現零速度啟動，所以現在生產的電動車上用得較少。目前電動車行業內使用的無刷電機，普遍採用有位置傳感器無刷電機。

　　有位置傳感器永磁直流無刷電機按照內部傳感器的安裝位置不同，又可分為60度電機和120度電機。在120°的霍爾信號中，不可能出現二進位000和111的編碼，所以在一定程度上避免了因霍爾零件故障而導致的誤操作。因為霍爾組件是開漏輸出，高電平依靠電路上的上拉電阻提供，一旦霍爾零件斷電，霍爾信號輸出就是111.一旦霍爾零件短路，霍爾信號輸出就是000，而60°的霍爾信號在正常工作時這兩種信號均會出現，所以一定程度上影響了軟體判斷故障的準確率。因此目前市面馬達已經逐漸捨棄60°相位的霍爾排列。

　　2.永磁直流電機基本原理

　　2.1.主迴路電路

　　

 

　　圖1

　　圖中ABC表示電機的3相繞組，採用星形接法，V1~V6表示功率場效應管，如果將V1~V6用如下的時序波形驅動，則3相繞組會按照AB-AC-BC-BA-CA-CB順序通電(AB表示電流由A相流向B相)，產生一個旋轉的磁場，牽引外轉子(永磁體)旋轉。

　　導通順序

　　

 

　　圖2

　　3.電動車控制器功能要求

　　*功能性要求：1.電子換相2.無級調速3.剎車斷電4.附加功能A.限速B. 1+1助力C. EBS柔性電磁剎車D.定速巡航E.其它功能(消除換相噪音，倒車等)

　　*安全性要求：1.限流驅動2.過流保護3.堵轉保護4.電池欠壓保護5.降低溫升6.附加功能(防盜鎖死，溫升限制等)

　　7.附加故障檢測功能從上面的要求來看，功能性要求和安全性要求的前三項用專用控制晶片用加上適當的外圍電路均不難解決，代表晶片是摩託羅拉的MC33035，早期的控制器方案均用該集成塊解決。但後來隨著競爭加劇，很多廠商都增加了不少附加功能，一些附加功能用硬體來實現就比較困難，所以使用單片機來做控制的控制器迅速取代了純硬體的專用控制晶片。

　　但是硬體控制和軟體控制有很大的區別，硬體控制的反應速度僅僅受限於邏輯門的開關速度，而軟體的運行則需要指令執行時間。要使軟體跟得上電機控制的需求，就必須要求軟體在最短的時間內能夠正確處理換相，電流限制等各種複雜動作，這就涉及到一個對外部信號的採樣頻率，採樣時機，信號的內部處理判斷及處理結果的輸出，還有一些抗幹擾措施等，這些都是軟體設計中需要仔細考慮的東西。

　　在本方案中，我們採用了一顆集成PWM發生器的8位單片機SH79F081，採用優化的單機器周期8051內核，內置16k Flash存儲器，兼容傳統8051所有硬體資源，採用JTAG仿真方式，內置16.6MHz振蕩器，同時擴展了如下功能：*雙DPTR指針。16位x 8乘法器和16位/8除法器。

　　* 3通道帶死區控制PWM，6路輸出，輸出極性可設，提供周期溢出功能*集成故障檢測功能，可瞬時關閉PWM輸出。

　　*提供硬體抗幹擾措施。

　　*集成高速10bit ADC. *提供Flash自編程功能，可以模擬用做EEROM，方便存儲參數。

　　這顆IC由於CPU運行速度和AD採樣速度都很快，PWM功能強大，硬體抗幹擾功能多，非常適合作電動車控制器。

　　4.軟體實現

　　下面我們挑選對控制器性能和安全比較重要的功能來討論編程中應該注意的問題。

　　4.1.減小換相噪聲

　　上文已提過，無刷直流電動機方波驅動最大的缺點是換相時電流不能持續，導致有轉矩脈動，因此衡量控制器好壞很大程度上是取決於換相是否能做好。

　　在電動車剛剛起步的時候我們會發現換相時電機會發出很大的突突聲，這是由於電機起步時電流比較大，而電機是個感性負載，換相後由於電機線圈電流不會一下增大到換相前的水平，這樣就造成換相前後電流反差非常大，從而導致牽引力的急劇變化，這種變化便會引起電機強烈振動，這種振動噪聲不能完全消除，但可以採取一些措施減小噪聲方法1：在換相後的一段時間使PWM脈衝佔空比達到100%來使電流增長快一點，從而減輕振動噪聲。需要提醒的是在這個過程中我們需要隨時監測電流變化，電流一達到換相前的水平就可以恢復換相前的PWM佔空比。

　　方法2：延遲關閉換相MOS管，方波驅動直流無刷電機是6步驅動，定子勵磁每隔60度電角度跳躍一次，保證定子磁動勢方向和轉子磁動勢方向夾角在60°到120°之間運行，因為夾角在90°時轉動力矩最大，夾角為0°或180°時沒有轉矩，現假設電機正轉，AB導通要切換到AC導通，此時AB繞組通電產生的定子磁勢和轉子磁勢夾角為60°，如果正常切換到AC導通，則AC繞組通電後，定子磁勢和轉子磁勢夾角變為120°，由於切換到AC通電後電流要從0開始爬升，因此此時定子磁勢幅值很小，導致轉矩降低，但如果此時不關閉B，同時將下橋C打開，則定子磁勢和轉子磁勢的夾角變為90°，而且由於AB相電流基本沒有變化，而C相電流還很小，因此換相前後轉矩變化很小，但要注意，等C相電流爬升後要將B相關閉，否則3相導通的合成力矩比2相導通力矩大，也會發生轉矩波動。

　　4.2.電子剎車：

　　電子剎車其實是將電動機當做發電機機運行，因此會產生電磁製動轉矩，檢測到電子剎車信號後，cpu將上三路PWM關閉，將下三路同時打開，佔空比設為某一固定值，這樣，電機相當於工作在發電機狀態，給蓄電池充電，充電電流和下三路佔空比有關，佔空比越大，則充電電流越大，剎車制動能力越強，由於目前電動車上裝配的電子剎車都是開關信號，使用者無法調整剎車力矩，完全由控制器決定，不過由電動機的特性，即使佔空比固定，電子剎車時轉速越高，發電機感生電壓越高，回饋充電能力越強，剎車力矩越大，當然，最好是裝配線性剎車傳感器，使用者會更方便。

　　4.3.恆流驅動

　　電流信號經康銅絲採樣之後分兩路，一路送至放大器，一路送至比較器。放大器用來實時放大電流信號，放大倍數大約6.5倍，放大後的信號提供給單片機進行AD採樣轉換，轉換所得數字用來控制電流不超過我們所允許的值。另一路信號送至比較器，當電流突然由於某種原因大大超過允許值，比如一隻MOSFET擊穿或誤導通時，比較器翻轉送出低電平，送給79F081的FLT引腳，無需單片機執行程序，IC硬體會自動關閉PWM輸出，從而保護MOSFET避免更大傷害。